電回饋式液壓抽油機系統仿真及控制研究

胡宜春 王進 邱婷婷 齊靜 侯亞鵬

摘 要：針對當前節能型液壓抽油機的研究，大多數學者、專家以蓄能器和飛輪作為主要儲能元件，節能效果同傳統抽油機相比有一定改進。本文提出一種新型節能抽油機，基于以往液壓抽油機系統二次調節靜液技術基礎上，結合變頻回饋技術，主要適用于無級調速、長沖程工況等環境。文中對該系統的組件及工作原理進行介紹，并對抽油機各主要元件和液壓系統建模及控制策略進行分析，針對位移、速度仿真曲線存在的問題提出解決方法。

關鍵詞：電回饋式液壓抽油機;二次調節;能量回收

Abstract： In view of the current research on energy saving hydraulic pumping units， most scholars and experts use accumulators and flywheels as main energy storage elements， and the simultaneous interpreting results show that the energy saving effect is improved compared with the traditional pumping units. In this paper， a new energy-saving pumping unit was proposed， which was based on the secondary regulation hydrostatic technology of the previous hydraulic pumping unit system， combined with frequeney conversion feedback technology， and was mainly suitable for the environment of stepless speed regulation， long stroke working condition and so on. This paper introduced and analyzed the system components and working principle， analyzed the modeling and control strategy of the main components and hydraulic system of the pumping unit， and put forward solutions to the problems existing in the displacement and speed simulation curve.

Keywords： electric feedback hydraulic pumping unit; secondary adjustment; energy recovery

隨著節能機械的大力發展，石油開采設備也逐步進入節能化發展，抽油機作為油田開采的主要設備，其經濟性和安全性也日益得到關注。剛度大、功重比高、整機結構緊湊是當前節能型液壓抽油機的發展趨勢[1-2]。國內外專家學者多以二次元件泵/馬達為主要動力元件，依靠蓄能器及飛輪進行能量儲備[3-4]。哈爾濱工業大學姜繼海教授等人利用液壓元件泵/馬達實現機械能與液壓能的相互轉換和傳動，并將成果轉嫁于液壓抽油機系統的研發中[5-6]。劉海昌采用飛輪儲能型二次調節流量耦聯系統，將重力勢能轉換為機械能儲存在飛輪中[7]。然而，以蓄能器為主要儲能元件的系統技術能量密度相對較低;飛輪儲能系統技術上較難實現且節能效果不理想。因此，本文以液壓抽油機節能系統為出發點，提出了一種電回饋式液壓抽油機，為進一步實現抽油機的高效節能效果提供一定的理論參考。

1 電回饋式液壓抽油機工作原理

電回饋式液壓抽油機的工作原理是通過雙饋異步電機及泵馬達進行能量交互轉換，從而實現抽油桿的上、下沖程運動。

1.1 抽油桿上沖程

抽油桿上沖程為雙饋異步電機通過變頻回饋單元將電能轉換為機械能，經過泵馬達進一步將能量轉換為液壓能，驅動抽油桿上行，沖程速度由泵馬達斜盤傾角調節。

1.2 抽油桿至上極限位置

抽油桿至上極限位置的工作原理是抽油桿將重力勢能轉換為液壓能驅動泵馬達旋轉，經過異步電機和變頻回饋單元，進一步將能量轉換為電能，并同時回收換向過程中的制動能。

1.3 抽油桿下沖程至下極限位置

抽油桿下沖程至下極限位置：重復1.1、1.2沖程過程，進行相關能量轉換。圖1為電回饋式液壓抽油機原理圖。

2 電回饋式液壓抽油機系統建模及仿真

為滿足抽油機系統不同工況要求，本文的泵馬達采用主軸變轉速流量控制方式，并建立液壓抽油機系統仿真模型，如圖2所示。

2.1 抽油桿運動速度仿真

從圖3可以看出，系統換向時刻速度曲線略有波動，上沖程波動階段最大幅度波峰可達0.65 m/s，波谷為0.56 m/s左右;下沖程波動階段最大幅度波峰可達0.66 m/s，波谷為0.58 m/s左右，然后穩定在0.6 m/s。而造成其波動的主要原因為慣性力及加速度突變而形成的沖擊，根本原因是系統響應速度慢、穩定性較弱。

2.2 抽油桿運動速度控制策略

將反向傳播（Back Propagation，BP）神經網絡，比例、積分、微分（Proportion Integral Differential，PID）聯合AMEsim仿真平臺對液壓系統進行仿真。針對速度仿真曲線問題，其控制策略為：得出抽油桿實際運行速度與期望速度的比值，并對泵馬達實時進行流量補償，形成速度-流量閉環控制系統。結合Simulink仿真得到速度曲線如圖5所示。從圖中可以看出，優化后的抽油桿運行速度基本消除超調、振蕩等問題，下沖程于1.3 s時抽油桿達到穩定，上沖程于11.5 s時抽油桿達到穩定。通過此方法有效控制了超調和振蕩兩個主要影響抽油機工作的因素。

2.3 抽油桿運動位移仿真

圖6為抽油桿運動位移曲線。從圖6可以看出，抽油機系統工況下的沖程及沖次要求基本符合設計要求，但隨著運動時間增加，位移曲線呈下降趨勢，當誤差累積到一定值時，存在抽油桿撞擊液壓缸頂部的風險。

2.4 抽油桿運動位移控制策略

圖7為液壓抽油機極限位置控制模型。規定抽油桿上極限位置為0.1 m，下極限位置為5.6 m，當其實際位移超出規定極限位置則信號啟動。抽油桿運動位移控制策略為：設抽油桿實際位移輸入值為[y]，規定上、下極限位移輸入值為[x];通過對抽油桿每1/2周期節點下的[y]和[x]進行實時比較，并及時修正抽油桿位移當量，從而起到限定位移范圍的作用。得到的液壓抽油機位移曲線如圖8、9所示。

從圖中可以看出，在10、30、40 s上極限位置時，位移控制策略模塊啟動，從50 s后位移范圍逐步增加，并穩定在規定位移范圍內，有效規避了原有系統抽油桿撞擊到液壓缸頂部的風險。

3 結論

單一的電回饋式液壓抽油機系統抽油桿速度響應存在波動、系統延滯不穩定等問題，而BP神經網絡、PID控制優化可較好地解決抽油桿速度響應波動等情況的發生。

單一的電回饋式液壓抽油機系統抽油桿位移響應存在撞擊液壓缸頂部風險。實施液壓抽油機極限位置控制策略后，有效解決了該問題。

參考文獻：

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